Введение

Механическая передача с использованием нескольких зубчатых колес

Зубчатая передача или набор зубчатых колес – это элемент механической системы, образованный установкой двух или более зубчатых колес на раму таким образом, чтобы их зубья находились в зацеплении. Зубья зубчатых колес спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать качение окружностей шага зацепляющихся колес без проскальзывания, обеспечивая плавную передачу вращения от одного зубчатого колеса к другому. Особенности зубчатых колес и зубчатых передач включают:

Передаточное число окружностей шага взаимодействующих зубчатых колес определяет передаточное отношение и механическое преимущество зубчатой передачи. Планетарная зубчатая передача обеспечивает большое понижение скорости в компактном исполнении. Возможно проектирование зубьев зубчатых колес некруглой формы, при этом сохраняя плавную передачу крутящего момента. Передаточные отношения цепных и ременных передач вычисляются аналогично передаточным числам зубчатых передач. См. велосипедные передачи. Передача вращения между контактирующими зубчатыми колесами восходит к механизму Антикитеры в Греции и южноуказывающей колеснице в Китае. Иллюстрации ученого эпохи Возрождения Георгия Агриколы демонстрируют зубчатые передачи с цилиндрическими зубьями. Внедрение инволютного профиля зуба привело к созданию стандартной конструкции зубчатых колес, обеспечивающей постоянное передаточное отношение.

Размеры и термины

Окружность делительного диаметра данной зубчатой передачи определяется точкой касания между двумя зацепляющимися зубчатыми колесами; например, два прямозубых колеса зацепляются, когда их окружности делительного диаметра касаются друг друга, как показано на иллюстрации. Количество зубьев на зубчатом колесе – целое число, определяемое окружностью делительного диаметра и делительным модулем.

Кольцевые поезда с двумя передачами

Самый простой пример зубчатой передачи состоит из двух зубчатых колёс. Входное зубчатое колесо (также известное как ведущее колесо) передаёт мощность на выходное зубчатое колесо (также известное как ведомое колесо). Обычно ведущее колесо соединяется с источником энергии, таким как двигатель или мотор. В таком примере выходной крутящий момент и угловая скорость выходного (ведомого) колеса зависят от соотношения размеров двух колёс или от соотношения числа зубьев.

Механические приспособления

В последовательности соединенных зубчатых передач, передаточное число зависит только от количества зубьев на первой и последней передачах. Промежуточные передачи, независимо от их размера, не изменяют общее передаточное число всей системы. Однако, добавление каждой промежуточной передачи меняет направление вращения конечной передачи. Промежуточная передача, которая не вращает вал, выполняющий полезную работу, называется паразитной. Иногда для изменения направления вращения используется одна паразитная передача, в этом случае её можно назвать реверсивной паразитной. Например, в типичной автомобильной механической коробке передач задний ход включается посредством установки реверсивной паразитной передачи между двумя другими передачами. Паразитные передачи также могут передавать вращение между удаленными валами в ситуациях, когда увеличение размеров удаленных передач для их сближения было бы нецелесообразным. Более крупные передачи занимают больше места, а масса и момент инерции передачи пропорциональны квадрату её радиуса. Вместо паразитных передач для передачи крутящего момента на расстоянии можно использовать зубчатый ремень или цепь.

Пример

На фото предположим, что самая маленькая шестерня (шестерня А, в правом нижнем углу) соединена с двигателем, что делает ее ведущей или входной шестерней. Шестерня немного большего размера в середине (шестерня I) называется промежуточной. Она не соединена напрямую ни с двигателем, ни с выходным валом и служит только для передачи мощности между входной и выходной шестернями. На фотографии в правом верхнем углу частично показана третья шестерня (шестерня B). Предполагая, что эта шестерня соединена с выходным валом машины, она является выходной или ведомой шестерней. Рассматривая только шестерни А и I, передаточное число между промежуточной и входной шестерней можно рассчитать так, как если бы промежуточная шестерня была выходной. Входная шестерня А в этом подмножестве из двух шестерен имеет 13 зубьев, а промежуточная шестерня I – 21 зуб. Следовательно, передаточное число для этого подмножества составляет приблизительно 1,62 или 1,62:1. При таком соотношении это означает, что ведущая шестерня (А) должна совершить 1,62 оборота, чтобы один раз повернуть выходную шестерню (I). Это также означает, что при каждом обороте ведущей шестерни (А) выходная шестерня (I) совершает 13/21 = 1/1.62, или 0.62 оборота. Большая шестерня (I) вращается медленнее. Третья шестерня на рисунке (B) имеет [количество] зубьев. Теперь рассмотрим передаточное число для подмножества, состоящего из шестерен I и B, где промежуточная шестерня I служит входом, а третья шестерня B – выходом. Таким образом, передаточное число между промежуточной (I) и третьей шестерней (B) равно 2:1. Окончательное передаточное число составной системы составляет 1.62×2≈3.23. Для каждых 3,23 оборотов самой маленькой шестерни A, самая большая шестерня B совершает один оборот, или для каждого оборота самой маленькой шестерни A, самая большая шестерня B совершает 0,31 (1/3,23) оборота, что соответствует общему уменьшению примерно 1:3.23 (коэффициент редукции (GRR) = 1/передаточное число (GR)). Поскольку промежуточная шестерня I контактирует напрямую как с меньшей шестерней A, так и с большей шестерней B, ее можно исключить из расчета, что также дает отношение 42/13≈3.23. Промежуточная шестерня обеспечивает вращение как ведущей, так и ведомой шестерен в одном направлении, но не дает механического преимущества.

Двойная скорость снижения

Двойная редукторная передача состоит из двух пар зубчатых колес, каждое из которых обеспечивает одинарное понижение, последовательно соединенных друг с другом. На диаграмме красные и синие зубчатые колеса обеспечивают первую ступень редукции, а оранжевые и зеленые – вторую ступень редукции. Общее передаточное число является произведением передаточных чисел первой и второй ступеней. Необходимо, чтобы на промежуточном валу было установлено два сцепленных зубчатых колеса разного размера. Если использовать одно промежуточное зубчатое колесо, общее передаточное число будет определяться только соотношением между первым и последним зубчатыми колесами, а промежуточное колесо будет выполнять роль только холостого хода: оно изменит направление вращения, но не изменит передаточное число.

Ремень и цепь

Специальные шестерни, называемые звёздами, могут быть соединены цепями, как на велосипедах и некоторых мотоциклах. Альтернативно, ремни могут иметь зубья и соединяться с механизмами, похожими на шкивы. В этих машинах также можно точно учитывать количество зубьев и оборотов. Например, зубчатый ремень, называемый ремнем газораспределения, используется в некоторых двигателях внутреннего сгорания для синхронизации движения распределительного вала с движением коленчатого вала, чтобы клапаны открывались и закрывались в верхней части каждого цилиндра в точности в нужный момент относительно движения каждого поршня. Для этой же цели на некоторых автомобилях используется цепь, называемая цепью газораспределения, в то время как в других распределительный и коленчатый валы соединены непосредственно друг с другом посредством зацепленных шестерен. Независимо от того, какая система привода используется, передаточное отношение коленчатого вала к распределительному валу всегда составляет 2:1 в четырехтактных двигателях, что означает, что на каждые два оборота коленчатого вала распределительный вал совершает один оборот.

Автомобильные приложения

Двигательные установки автомобилей обычно имеют две или более основных областей, где используются зубчатые передачи. В транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) передачи обычно используются в трансмиссии, которая содержит несколько различных наборов шестерен, которые можно переключать для обеспечения широкого диапазона скоростей автомобиля при работе ДВС в более узком диапазоне, что оптимизирует эффективность, мощность и крутящий момент. Поскольку электромобили вместо этого используют один или несколько электродвигателей, которые обычно имеют более широкий диапазон рабочих скоростей, они, как правило, оснащаются одной редукционной передачей. Вторая распространенная зубчатая передача практически во всех автомобилях – это дифференциал, который содержит конечный привод к колесам и часто обеспечивает дополнительное снижение скорости вращения на колесах. Более того, дифференциал содержит передачи, которые разделяют крутящий момент поровну между двумя колесами, позволяя им иметь разные скорости при движении по криволинейной траектории. Трансмиссия и конечный привод могут быть раздельными и соединены карданным валом, либо объединены в один блок, называемый трансаксом. Передаточные числа в трансмиссии и конечном приводе важны, поскольку различные передаточные числа меняют характеристики динамики автомобиля. Как отмечалось, сам ДВС часто оснащен зубчатым механизмом для синхронизации работы клапанов со скоростью вращения коленчатого вала. Обычно распределительные валы приводятся в движение шестернями, цепью или зубчатым ремнем.

Широко-отношение против тесно-отношение передачи

Коробка передач с близким передаточным отношением – это коробка передач, в которой разница между передаточными числами передач относительно невелика. Например, коробка передач с передаточным отношением от вала двигателя к ведущему валу 4:1 в первой передаче и 2:1 во второй передаче будет считаться коробкой передач с широким диапазоном по сравнению с другой коробкой передач с отношением 4:1 в первой и 3:1 во второй передаче. Это связано с тем, что коробка передач с близким передаточным отношением имеет меньший прогресс между передачами. Для коробки передач с широким диапазоном передаточное число первой передачи составляет 4:1 или 4, а второй – 2:1 или 2, поэтому прогресс равен 4/2 = 2 (или 200%). Для коробки передач с близким передаточным отношением первая передача имеет отношение 4:1 или 4, а вторая передача – 3:1 или 3, поэтому прогресс между передачами составляет 4/3, или 133%. Поскольку 133% меньше 200%, коробка передач с меньшим прогрессом между передачами считается коробкой передач с близким передаточным отношением. Однако разница между коробкой передач с близким и широким передаточным отношением субъективна и относительна. Коробки передач с близким передаточным отношением обычно устанавливаются в спортивных автомобилях, спортивных мотоциклах и особенно в гоночных автомобилях, где двигатель настроен на максимальную мощность в узком диапазоне рабочих скоростей, и ожидается, что водитель или гонщик будут часто переключать передачи, чтобы поддерживать двигатель в диапазоне мощности. Заводские коробки передач с 4 или 5 передачами обычно имеют большую разницу между передаточными числами и, как правило, эффективны для обычной езды и умеренного использования. Более широкие промежутки между передаточными числами позволяют использовать более высокое передаточное число первой передачи для лучшей управляемости, но приводят к большему снижению оборотов двигателя при переключении передач. Уменьшение промежутков увеличит ускорение на скорости и потенциально улучшит максимальную скорость в определенных условиях, но ускорение с места и эксплуатация в повседневной езде пострадают. Диапазон – это разница в умножении крутящего момента между 1-й и 4-й передачами; коробки передач с широким диапазоном имеют больший диапазон, обычно от 2,8 до 3,2. Это наиболее важный определяющий фактор ускорения с места. Прогресс – это уменьшение или снижение процентного падения оборотов двигателя на следующей передаче, например, после переключения с 1-й на 2-ю передачу. Большинство коробок передач имеют некоторую степень прогресса, поскольку падение оборотов при переключении с 1-й на 2-ю передачу больше, чем падение оборотов при переключении со 2-й на 3-ю передачу, которое, в свою очередь, больше, чем падение оборотов при переключении с 3-й на 4-ю передачу. Прогресс может быть нелинейным (постоянно уменьшающимся) или выполняться в пропорциональных этапах по разным причинам, включая особую потребность в передаче для достижения определенной скорости или оборотов для обгона, гонок и т. д., или просто экономическую необходимость, что детали были доступны. Диапазон и прогресс не являются взаимоисключающими, но каждый ограничивает количество вариантов для другого. Широкий диапазон, который обеспечивает сильное умножение крутящего момента в первой передаче для отличной управляемости на низких скоростях, особенно с небольшим двигателем, тяжелым транспортным средством или численно низким передаточным числом главной передачи, таким как 2,50, означает, что проценты прогресса должны быть высокими. Количество оборотов двигателя, а следовательно, мощность, теряемая при каждом переключении вверх, больше, чем в коробке передач с меньшим диапазоном, но меньшей мощностью в первой передаче. Низкое передаточное число первой передачи, например 2:1, уменьшает доступный крутящий момент в первой передаче, но позволяет больше выбора прогресса. Не существует оптимального выбора передаточных чисел коробки передач или передаточного числа главной передачи для достижения наилучшей производительности на всех скоростях, поскольку передаточные числа являются компромиссами и не обязательно лучше, чем исходные для определенных целей.